海水の塩分濃度が約3%であるのに対し、死海の湖水は約30%の濃度を有する。1リットルあたりの塩分量は230gから270gで、湖底では428gである。この濃い塩分濃度のため、湖水の比重が大きくなり、結果、浮力も大きいので、人が死海に入って沈むことは極めて困難である（ただし、慌ててもがくなどして大量の水を飲んで溺死することはある）。また後述の例を除き、生物の生息には不向きな環境であるため、湧水の発生する1か所を除き、魚類の生息は確認されていない。死海という名称の由来もここにある。しかし、緑藻類のドナリエラ（Dunaliella salina）や古細菌類の高度好塩菌の生息は確認されている。死海からは流れ出る川がなく、比較的高温で乾燥した気候であり、年間を通じて大量の水が蒸発するため塩分濃度が高くなっている。また内陸の巨大湖の特徴として、周囲の土壌に元来含まれていた塩分が雨によって流され、下流の湖で凝縮する形となった結果、塩湖が形成されたと考えられている。死海についてはこの他に、ヨルダン川および主に周囲から涌き出る温泉から塩分が供給されているとも考えられている。死海の水は塩化ナトリウム以外の塩分も多量に含んでおり、苦味が強い。にがりの主成分である塩化マグネシウムも多く含んでいるため、『世界の果てまでイッテQ!』の企画で死海の水による豆腐作りが行われたこともある。2005年に行われた愛・地球博では、長久手会場内のヨルダン館に死海の水が実際に運び込まれ、水面に浮く体験をすることができた。
死海は、東アフリカを分断する大地溝帯が紅海からアカバ湾を通ってトルコに延びる断層のほぼ北端に位置している。死海を含むヨルダン渓谷は、白亜紀以前にはまだ海であったと推定されている。その後の海底隆起により、パレスチナ付近の高原が形成されると同時に、ヨルダン渓谷付近に断層が生じたと考えられている。この断層の西側はアフリカプレートで、東側はアラビアプレートである。前者が後者を圧縮したことにより、断層を挟んで後者が北へ動いた。死海の水源は唯一ヨルダン川である。年間降水量は50mmから100mmと極端に少なく、気温は夏が32°Cから39°C、冬でも20°Cから23°Cと非常に高いため、湖水の蒸発が水分供給を上回る状態で、高い塩分濃度が生まれた。
アーリーはその軍隊に3つに分け、月明かりだけが頼りの大胆な行軍をさせた。ジョン・B・ゴードン少将の師団は午後8時に出発し、マサヌッテン山の麓に沿った「豚の道」を辿り川を越えた。ゴードン隊は夜明け前に深い霧に隠れて動き、強襲を掛けた。その急襲は完璧であり、最初の北軍軍団（ジョージ・クルック少将の第8軍団）は瞬時も戦わずして崩れた。数百の兵士が捕虜になり、その多くはまだ寝具にくるまれたままだった。ウィリアム・エモリーの第19軍団が次にゴードン師団と西方から攻撃に加わったジョセフ・B・カーショー少将の師団に襲われ、エモリーの部隊も崩壊した。南軍の攻撃は素早く移動したので、北軍は備える暇がほとんど無かった。エモリー軍団から退却する兵士達が混乱を起こし、防衛軍の士気も損なった。また慌てた部隊の前線は南ではなく西を向いていたので、南軍のクリークを越えての大砲が北軍の開いた側面を直撃できた。北軍前線の最後に居たライトの第6軍団は強固な防御線を張って戦い、激しい圧力を受けて緩り後退した。ライトはアーリー軍の初期攻撃に対応するために南方に前線を押し上げようとしたが、攻撃の動きがあまりに早かったので自隊の移動を妨げられた。しかし、アーリー軍は千人以上の捕虜を取り18門の大砲を捕獲するというその勝利に浮かれたのか圧力を維持できなかった。アーリーはライトの軍団も戦場から撤退するものと勝手に思い込んでしまった。ゴードンに向かって「これは1日の戦果としては誇らしいものだ」と告げた。北軍はミドルタウンの向こうに後退していた。アーリーが追撃をしなかったことがこの戦闘全体の致命的な誤りと考えられ、その後長く続くアーリーとゴードンの間の反目を生じさせた。この戦いが始まった時、シェリダンは遠くウィンチェスターにいた。遠くに砲声を聞いたシェリダンは急遽馬で自隊の元に駆けつけた（有名な詩「シェリダンの騎乗」]はこの出来事を記念してトマス・ブキャナン・リードが作った）。戦場には午前10時半に到着しその兵士達を再結集させ始めた。シェリダンにとって幸運だったことに、アーリー軍の兵士達は他のことに捉われて気付かなかった。彼らは飢えており疲れていたので、北軍宿営地の略奪のために隊列を離れていた。シェリダン将軍はその公式報告書で有名な騎乗について次のように記した。私は9時頃まで事態を正しく認識できていなかった。ウィンチェスターの町を馬で駆け抜けるとき、砲声が戦闘の起こっていることを間違いなく伝えていた。ウィンチェスターからは半マイル南のミルクリークに到着すると逃亡兵の先頭が見えて来ており、その後に驚くべき速さで輜重隊や兵士が続いていた。私は即座に止まるよう指示を出し、ミルクリークに輜重隊も駐めるように言った。続いてウィンチェスターにいた旅団に一帯に拡がりあらゆる落伍兵を止めるよう命令を出した。私の護衛から20名を選んで前線に進ませ、フォーサイス将軍とトム大佐とアレクサンダー大佐に従う残りの者には逃亡者の流れを止めるためにできることをさせておいた。数百の兵士達が持分を十分に発揮してこなかったと振り返って歓喜とともに戻ってきたと言うのは楽しいことである。...後方から戻って自分達の失った宿営地を取り戻す決心をした者よりも勇敢に振舞った者はおらず、大きな勇気を示した者はいなかった。午後3時、アーリーは朝ならば成功していたであろう小さな攻撃でその攻勢を再開したが、簡単に撃退された。午後4時、アーリーの軍団は反撃をした。アーリー軍3個師団は約3マイル (5 km)の長さに伸びきった前線にあり、その側面は防御が無かった。エモリーはジョージ・アームストロング・カスター准将の騎兵師団の支援を受けて開いている左側面に付け込み南軍の前線を破った。他の騎兵隊が南軍後方の橋を破壊しその逃走路を遮断した。多くの古参南部兵が大壊走の中で戦う術はないと判断して降伏した。北軍は数百名を捕虜にし、大砲43門（そのうち18門は午前中に捕られたものだった）と南軍が持って行けなかった物資を捕獲した。